Klassificering av litiumjonbatterier ur materialperspektiv

(Klassificering av litiumjonbatterier ur materialperspektiv)

I likhet med blybaserade och nickelbaserade batterier använder litiumjoner en positiv elektrod (katod), en negativ elektrod (anod) och en elektrolyt som ledare. Den positiva tråden är en metalloxid och den negativa elektroden består av porös grafit. Under urladdning rör sig litiumjoner från den negativa elektroden till den positiva elektroden genom elektrolyten och separatorn; under laddning strömmar litiumjoner från den positiva elektroden till den negativa elektroden i motsatta riktningar.

 

När batteriet laddas och laddas ur pendlar Li+ mellan de positiva och negativa elektroderna, under urladdningen oxiderar anoden, förlorar elektroner och katoden reduceras för att erhålla partiklar; vid laddning rör sig laddningen i motsatt riktning.

 

Det finns många typer av litiumjonbatterier, beroende på elektrodmaterialet. Men när du väljer olika material kommer batteriets prestanda att variera kraftigt.

 

De positiva elektrodmaterialen innehåller alla Li+. Vanlig litiumkoboltoxid (litiumkoboltoxid), litiummanganoxid (även känd som spinell eller litiummanganat), litiumjärnfosfat, nickelkobolt mangan ternärt material (NMC) [3] och litiumnickelkobolt Aluminiumoxid (NCA). Alla dessa material har en teoretisk övre energigräns (litiumjon har en teoretisk kapacitet på cirka 2000 kWh, vilket är mer än tio gånger den specifika energin hos ett kommersiellt litiumjonbatteri).

 

Sonys ursprungliga litiumjonbatteri använder koks (en kolprodukt) som ett skadligt elektrodmaterial. Sedan 1997 har de flesta tillverkare av litiumjonbatterier, inklusive Sony, omvandlat anodmaterial till grafit, vilket resulterat i en platt urladdningskurva. Grafit är en form av kol som används i pennor. Den kan lagra litiumjoner bra under laddning och har en lång cykel och utmärkt stabilitet. Av kolmaterialen är grafit det vanligaste, följt av hårt kol och mjukt kol. Andra kol, som kolnanorör, har ännu inte funnit sin kommersiella användning. Figuren nedan jämför spänningsurladdningskurvorna för ett modernt litiumjonbatteri med grafit som negativ elektrod och ett litiumjonbatteri med en gammal koksnegativ elektrod.

 

I det normala urladdningsområdet bör batteriet ha en platt spänningskurva, vilket är bättre än den tidigare koksen.

 

Anodmaterial utvecklas också, och forskare experimenterar ständigt med nya material, inklusive kiselbaserade legeringar. I denna legering är sex kolatomer bundna till en litiumjon, och en kiselatom kan binda fyra litiumjoner. Detta innebär att den negativa kiselelektroden teoretiskt kan lagra tio gånger energin från grafitmaterialet. För närvarande har kiselmaterial ökat med 20%-30% i specifik kapacitet till priset av att minska belastningspotentialen och livslängden. Problemet är dock att litiumjoner under laddningsprocessen lätt expanderar i volym efter att ha bäddats in i det kiselbaserade materialet (växer till mer än fyra gånger den ursprungliga storleken).

 

Det nanostrukturerade litiumtitanatsaltet har god livslängd och belastningskapacitet, utmärkt lågtemperaturprestanda och funktionell säkerhetsprestanda som ett skadligt elektrodmaterial. Ändå är dess specifika funktion låg, och kostnaden är hög.

(Klassificering av litiumjonbatterier ur materialperspektiv)